SIMULADORES COMO ATIVIDADES PRÁTICAS COMPLEMENTARES AO LABORATÓRIO REAL

## SIMULADORES COMO ATIVIDADES PRÁTICAS COMPLEMENTARES AO LABORATÓRIO REAL

Jefferson A. Neves , Décio R. Martins , Ulisses A. Leitão , Marcel B. P. Braga 1 2 3 4

1 Universidade Federal de Lavras/Departamento de Ciências Exatas, jneves@fisica.ufla.br 2 Universidade de Coimbra / Departamento de Física, decio@pollux.fis.uc.pt 3 o de Ciências Exatas, ulisses@ufla.br 4 Universidade de Coimbra/ Departamento de Física, marcelbruno79@hotmail.com

## RESUMO

O presente trabalho relata a utilização de recursos computacionais como complemento às práticas laboratoriais do 12 o ano em Coimbra-Portugal. Foram desenvolvidos três módulos de aprendizagem, baseados nas práticas laboratoriais previstas no currículo do ensino médio em Portugal. Os módulos são fundamentados na teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel (AUSUBEL, 2000) e no Modelo de Ensino de Gowin (GOWIN, 1981). Os roteiros foram desenvolvidos como complemento às seguintes práticas laboratoriais: (1) Construção e calibração de um termômetro de fio de cobre, que é um estudo do coeficiente de temperatura da resistência; (2) Análise de características de um gerador de indução eletromagnética; (3) Construção de um relógio logarítmico, estudo do processo de descarga de um capacitor. Cada módulo de aprendizagem é composto pela utilização de um roteiro da prática, um questionário de avaliação formativa e um Objeto Virtual de Aprendizagem - OVA: um simulador do projeto PhET ou uma simulação no software de Modelagem Matemática - Modellus. A aplicação dos módulos de aprendizagem ocorreu nos meses de abril e maio de 2012, para 13 alunos do 12º ano, da Escola Secundária Quinta das Flores. A avaliação foi realizada por meio de análise dos questionários e das respostas dos alunos aos roteiros. O presente estudo evidencia que a inclusão de Objetos Virtuais de Aprendizagem, em complemento às atividades experimentais, potencializa o ensino conceitual nas práticas laboratoriais, favorecendo a compreensão e a articulação de argumentos em sala de aula por parte dos alunos.

Palavras-Chaves: Aprendizagem Significativa, Objetos de Aprendizagem, Práticas Laboratoriais, Recursos Computacionais na Educação.

## INTRODUÇÃO

A presente pesquisa centra-se na análise da contribuição do ensino experimental da física, no contexto português, e sua articulação com a utilização de Objetos Virtuais de Aprendizagem - OVAs (ARANTES, 2010; PIRES, 2006), como ferramenta para a aprendizagem significativa (AUSUBEL, 2000). Foram elaborados e otimizados três módulos de aprendizagem, utilizando recursos providos pelo software Modellus e por simulações desenvolvidas pelo p rojeto Physics Education

## Technology-PhET .

O Modellus (MODELLUS, 2012) é uma ferramenta computacional capaz de simular, através de equações matemáticas, um ambiente virtual interativo, permitindo diversos níveis de abstração. Em sua concepção, o Modellus permite a articulação entre os conceitos mais abstratos, descritos pelas equações matemáticas, a suas representações em gráficos e tabelas, bem como a sua articulação concreta nas animações interativas. É um software de modelagem matemática, desenvolvido pelo professor Vitor Teodoro, da Universidade de Lisboa, o qual afirma que:

' Modellus é uma ferramenta cognitiva para auxiliar a internalização de conhecimento simbólico, preferencialmente em contexto de atividades de grupo e de classe, em que a discussão, a conjectura e o teste de ideias são atividades dominantes' (TEODORO, 2002).

O PhET é um projeto desenvolvido pela Universidade do Colorado (PHET, 2012), idealizado por Carl Wieman, vencedor do prêmio Nobel de 2001. Além de desenvolver as simulações, os pesquisadores dessa universidade as testam em diversas situações, para posteriormente disponibilizá-las (ARANTES et al , 2010). Atualmente, o PhET possui 120 simulações em diversas áreas. Existem outros projetos similares, como podem ser encontrados, p. ex., no Banco Internacional de Objetos Educacionais do Ministério da Educação do Brasil (MEC, 2012). Tais iniciativas são motivadas pela expectativa de que os OVAs possam 'alinhar a motivação e o prazer do desafio lúdico, ao processo virtual de ensino-aprendizagem' (LEITÃO et al., 2011). Entretanto, no domínio pedagógico, um dos maiores entraves está na adequação ao contexto didático e ao processo de ensino-aprendizagem. Assim, nos colocamos a questão: Com tantos recursos computacionais existentes, como utilizá-los no ambiente escolar, a fim de proporcionar uma eficaz compreensão dos conceitos estudados, sem comprometer as execuções dos programas de ensino, com as limitações existentes nas escolas? Tal questão é relevante e tem sido objeto de estudos recentes (DORNELES, 2012).

## OBJETIVOS

O presente trabalho possui como objetivos: (1) desenvolver um conjunto de módulos de aprendizagem, utilizando simulações que complementem as práticas laboratoriais existentes no contexto educacional de Portugal; (2) aplicar e analisar esses módulos por meio de roteiros e questionários; (3) promover e verificar os ganhos na aprendizagem ao aplicar os recursos.

## METODOLOGIA

O estudo foi realizado em uma escola da rede pública de ensino em Coimbra, envolvendo a disciplina de Física do 12º ano do secundário, equivalente ao 3º ano do ensino médio no Brasil. Os três módulos desenvolvidos e aplicados se relacionam a três áreas temáticas: Mecânica, Eletromagnetismo e Introdução à

Física Moderna. Um aspecto relevante para o contexto da pesquisa é o fato de que, na componente de Física do 12º ano (PORTUGAL, 2004), há uma preocupação para que o ensino ocorra de forma contextualizada e por meio de atividades laboratoriais bem descriminadas, sendo estas obrigatórias em salas de aula. 2

Diante das atividades previstas, escolheram-se três delas para a pesquisa, dentro do domínio do eletromagnetismo, no qual se encontram intituladas como: (1) Construção e calibração de um termômetro de fio de cobre; (2) Características de um gerador e de um receptor; e (3) Construção de um relógio logarítmico. O uso de simulações é incentivado na escola como um dos recursos pedagógicos relacionados à utilização das Tecnologias da Informação e Comunicação - TIC's no ensino. No contexto português, também é considerado relevante, como se afirma:

'O computador ligado a um projector é necessário quando o professor pretende recorrer a programas computacionais que facilitem a exploração de determinados conteúdos. Existem simulações computacionais de utilização livre que se podem descarregar da Internet. A utilização da Internet e de outros recursos computacionais deve ser feita em trabalhos ou pesquisas individuais ou colectivas dos alunos, em espaços próprios da escola' (PORTUGAL, 2004).

## TEORIA DE APRENDIZAGEM

Para que ocorra a Aprendizagem Significativa, Ausubel (2000) apresenta as seguintes condições necessárias:

- · a predisposição por parte do aluno para aprender;
- · o conteúdo deve ser potencialmente significativo, ou seja, deve ter algum significado para os alunos.

Sendo assim, qualquer novo conceito será ancorado aos conhecimentos prévios, possibilitando a aprendizagem ser significativa. Moreira (2008) apresenta a aprendizagem significativa como um processo de interação cognitiva, no qual os conceitos novos e prévios se modificam. Os novos conhecimentos adquirem significados e os prévios ficam mais elaborados, mais ricos em significados, mais estáveis cognitivamente e mais capazes de facilitar a aprendizagem significativa de outros conhecimentos.

Na perspectiva de Gowin (1981), todo evento de aprendizagem se caracteriza como uma relação triádica (educador, materiais educativos e estudante), na qual todos compartilham significados (PIRES & VEIT, 2006). Se o compartilhamento ocorrer de maneira harmônica, existe a possibilidade de ocorrer a aprendizagem, e esta pode ser significativa. Em suma, a aprendizagem ocorre quando o significado do material que o aluno adquire é o mesmo que o professor aplicou ao material. Assim, cabe ao aluno apresentar este significado para o

professor. Dessa forma, na intervenção, foram valorizados os critérios para assimilação subsunsora a partir do conhecimento prévio dos alunos, e utilizado o 'V' epistemológico de Gowin na organização e implementação do método educativo proposto.

## DESCRIÇÃO DA AÇÃO

O processo de desenvolvimento dos módulos de aprendizagem obedeceu às seguintes etapas: (1) estudo da prática laboratorial -com base no roteiro verificaram-se os principais conceitos envolvidos na atividade; (2) adequação ao programa educacional - no programa educacional, verificou-se em quais contextos a prática laboratorial estava inserida, de modo a se poder captar os conceitos principais apresentados pelo programa; (3) busca de recursos educacionais disponíveis - o alvo principal da procura era software gratuito, com uma interface prática e de rápida compreensão na aquisição de dados; (4) desenvolvimento do módulo de aprendizagem ; (5) análise do(a) professor(a) -o módulo de aprendizagem era apresentado, o professor(a), por sua vez, verificava sua aplicação e apresentava sugestões; e, por fim, (6) versão definitiva que era desenvolvida em conjunto.

Os módulos educacionais desenvolvidos foram: (1) Construção e calibração de um termômetro de fio de cobre ; (2) Características de um gerador e de um receptor; (3) e Construção de um relógio logarítmico . Os recursos utilizados para desenvolver os módulos de aprendizagem foram os softwares de modelagem matemática, o Modellus , e o 'Kit de Construção de Circuitos AC - DC', desenvolvido pelo projeto PhET .

Logo no início da elaboração do primeiro recurso (1), uma professoraparticipante apresentou a seguinte indagação:

'A realização da TPL (Trabalho Prático Laboratorial) de CONSTRUÇÃO E CALIBRAÇÃO DE UM TERMÔMETRO DE FIO DE COBRE é muito GIRO [legal], possui resultados muito bons e é bem simples de fazer, porém percebo que os alunos não compreendem a sua utilidade' - Professora da Escola Secundária Quintas das Flores, Coimbra - Portugal

Diante disso, foi desenvolvido o recurso, tendo como metas: (1) verificar e estudar, por meio de gráficos da resistência em função da temperatura, o coeficiente de temperatura para diversos materiais condutores; (2) apresentar uma aplicação para o termômetro estudado na atividade laboratorial; (3) utilizar o Modellus no estudo do termômetro a partir de duas simulações desenvolvidas, um protocolo de tarefas e um questionário.

- O segundo módulo de aprendizagem é composto do simulador 'Kit de Construção de Circuitos (AC - DC)', desenvolvido pelo PhET , o qual possui um roteiro de tarefas e um questionário. O objetivo principal nesta atividade foi estudar a potência dissipada em um circuito composto por um gerador e um receptor

puramente resistivo. Para tal, foram concretizados nos seguintes pontos: (1) estudar indeterminação matemática ( 0 → R e ∞ → R ) em sistemas físicos e verificar esta influência na potência dissipada em R ; (2) estudar o curto-circuito e apresentar a potência dissipada neste caso; (3) estudar a potência dissipada em um receptor puramente resistivo.

No último recurso, foi utilizada uma simulação desenvolvida no Modellus , juntamente com um protocolo de tarefas e um questionário. A atividade desenvolvida tem como objetivo principal estudar o processo de descarga do capacitor por meio da Lei de Conservação de Energia. Para tal, foram caracterizados os seguintes pontos: (1) verificar a variação da potência dissipada pela resistência e determinar os seus valores máximos; (2) calcular a energia armazenada no capacitor; (3) analisar a variação da energia dissipada na resistência R, com base na Lei de Conservação de Energia.

## RESULTADOS OBTIDOS

Todos os resultados apresentados estão baseados em análises qualitativas por meio das respostas dos alunos aos roteiros, aos questionários e à observação do comportamento dos alunos na realização das atividades. Podemos afirmar que, de modo geral, o trabalho obteve grande êxito, tanto na percepção e prática docente na utilização dos recursos desenvolvidos, quanto na satisfação dos alunos, como podemos conferir na Tabela abaixo.

Tabela 1: Objetivos específicos verificados tendo como base as respostas dadas pelos alunos aos protocolos desenvolvidos na atividade 1.

Legenda: O = objetivo; S = satisfatório; I = insatisfatório

Verifica-se que a grande maioria dos alunos compreendeu a influência do coeficiente de temperatura para a inclinação da curva da resistência em função da temperatura. Abaixo, seguem as explicações dadas por dois alunos ao questionado sobre o funcionamento do Termômetro em estudo:

- A4:' O termômetro é constituído por uma pilha, uma resistência e um amperímetro, sendo a diferença de potencial constante. Sabendo que R=U/I, sendo U constante, (U/I)=R0 (1+ α (T-T0))... colocar formula, sabendo temperatura inicial, sabendo a resistência inicial e o valor da intensidade de corrente pode-se encontrar o valor da temperatura';

A10: 'Com a variação de temperatura, a resistência vai alterar-se, o que vai causar variação de intensidade (corrente), cujos valores serão dados pelo amperímetro. Como a diferença de potencial é constante e conhecida, com o valor de I pode-se calcular o valor da resistência e recorrendo R=R0 (1+ α (T-T0)) , pode-se saber o valor da temperatura'.

Quanto às percepções dos alunos sobre a realização do recurso, temos que:

A1:'Foi uma actividade interessante e inovadora que permitiu entender melhor a atividade experimental';

A5: 'A actividade foi bastante produtiva, pois permitiu-nos perceber melhor a experiência';

A10: 'Permitiu-me perceber como variam certas funcionalidades e características de um termômetro do fio de cobre e sua utilização prática no dia a dia'.

Na segunda atividade, apesar das dificuldades iniciais em utilizar o simulador do PhET , observou-se que todos os alunos conseguiram construir os circuitos e utilizar os equipamentos de medidas necessários para realizar a atividade. Como se pode observar nos discursos dos alunos:

A4: 'Podemos concluir que, quando a resistência externa é igual à resistência interna do gerador, a potência dissipada (por efeito Joule) é máxima.';

A8: 'Podemos concluir que, quando a potência é máxima, o valor de R é igual a 2,5 (ohms) que é igual à resistência interna. A resistência externa é igual à interna, a Potência é máxima';

A4: 'A realização de actividades experimentais virtuais permite uma visualização de variáveis no trabalho que não é possível no trabalho prático';

A7: 'No laboratório virtual, tínhamos mais facilidade de viabilidade pois podíamos controlar mais variáveis e não há erros supostamente'.

Na última atividade, os alunos compreenderam o processo de carga e descarga do condensador, no entanto, observou-se que os alunos encontraram muita dificuldade em realizar a tarefa. Os entraves se relacionam tanto à compreensão do roteiro, quanto às questões relacionadas com as deduções matemáticas, como podemos verificar:

A3: 'Não percebi as duas perguntas para encontrar as funções em função do tempo. Tive dificuldades nas perguntas de funções'.

## CONCLUSÃO

Cada módulo de aprendizagem possui um objetivo principal. Com base nas respostas dos alunos, constatou-se que, no primeiro objeto de aprendizagem, 92 % dos alunos presentes conseguiram explicar o funcionamento do termômetro. Para o segundo, 100 % dos alunos presentes conseguiram apresentar o gráfico P(R) da potência dissipada em um receptor puramente resistivo. Já no terceiro, 77 % dos alunos conseguiram explicar o processo de descarga do condensador tendo como base o Princípio de Conservação de Energia.

Foi verificado que o terceiro módulo de aprendizagem obteve resultados inferiores aos demais. A complexidade dos roteiros foi aumentando de um módulo de aprendizagem para outro. Uma possível causa circunstancial que pode ter influenciado foi o fato de os alunos terem realizado uma avaliação de matemática logo antes do uso do recurso.

As aplicações mostraram que os recursos 2 e 3 podem ser melhorados diante das dificuldades encontradas. A segunda atividade, em relação à nomenclatura utilizada no roteiro; e a terceira, sendo reestruturada para ser realizada em 45 minutos, a fim de não comprometer a realização da prática laboratorial, prevista no programa curricular.

Consideramos a elaboração dos módulos e suas aplicações satisfatórias e instigantes. A inclusão de OVAs em atividades experimentais revela que estes complementam as atividades laboratoriais e potencializam o ensino conceitual nas práticas laboratoriais, favorecendo o desenvolvimento da habilidade de argumentação em sala de aula por parte dos alunos.

As TIC's, em especial em relação ao uso de simulações, demostram ser instrumentos de ensino que facilitam a representação de fenômenos e conceitos. Contudo, levando-se em conta que sua utilização não garante a aprendizagem dos alunos, é necessário considerar um método adequado para a transposição didática de conteúdo e a elaboração de módulos que desenvolvam a habilidade de construção do conhecimento cientifico. Todo processo educativo, seja se utilizando de recursos experimentais reais ou virtuais, tem como desafio 'ensinar a pensar'. Assim, as atividades laboratoriais e as que envolvem os OVAs se complementam.

A metodologia apresentada possui uma estrutura interessante, pois não

compromete a excussão dos programas educacionais e potencializa as práticas laboratoriais e a compreensão dos conceitos básicos em estudo.

## REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ARANTES A.R.; MIRANDA M.S.; STUDART, N. Objetos de Aprendizagem no Ensino de Física: Usando Simulações de Físicas. Física na Escola, v11, n1, 2010.

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LEITÃO U.A., SIMÃO T.D. E NEVES J.A., 2011, Desenvolvimento De Jogos 3d Para A Educação A Distância , ESUD 2011, Ouro Preto- MG. Disponível em http://lite.dex.ufla.br/esud2011, acessado em junho de 2012.

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MOREIRA, M.A. Negociação de Significados e Aprendizagem Significativa. Ensino, Saúde e Ambiente, v.1, n.2, p 2-13, 2008.

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PIRES, Marcelo Antonio Pires & VEIT, Eliane Angela Veit. Tecnologias de Informação e Comunicação para ampliar e motivar o aprendizado de Física no Ensino Médio . Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 28, n. 2, p. 241 - 248, (2006)

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Modellus - Projeto Modellus, Universidade de Ciência e Tecnologia de Lisboa, disponível em:<http://modellus.fct.unl.pt/>, acessado 25 de Junho de 2012.